李 楠 孫鳳茹 張華衛(wèi)

(1蘭州交通大學計算機與科學技術國家級實驗教學示范中心，甘肅 蘭州 730070；2蘭州城市學院商學院，甘肅 蘭州 730070；3蘭州交通大學電子與信息工程學院，甘肅 蘭州 730070）

計算機網(wǎng)絡是一門計算機專業(yè)的主干課程，理論概念多、抽象性強，而實驗教學是計算機網(wǎng)絡課程的重要環(huán)節(jié)，主要研究相關技術的具體實踐操作過程，減少學生對學習計算機知識所產(chǎn)生的枯燥情緒和厭惡感，進一步強化學生的實踐意識、提高他們的實際動手能力和設計能力[1-2]。

高校的計算機網(wǎng)絡實踐教學知識面廣，如果要確保實驗教學的全面性和透徹性，通常需要專業(yè)的網(wǎng)絡設備，而這些設備造價高，維護費用昂貴，如果相關專業(yè)的學生數(shù)量不多的話，勢必會造成設備的長期閑置，降低了網(wǎng)絡設備的利用率；另外真實網(wǎng)絡設備一般只能在實驗室進行實驗；同時很多網(wǎng)絡實驗都會對真正的局域網(wǎng)絡造成一定的影響，甚至是危害[3]。

正因為真實網(wǎng)絡設備存在缺陷，本文將以思科的Packet Tracer軟件為實例，介紹虛擬仿真軟件的主要功能、特點等，并以“三層交換機和路由器的RIP協(xié)議”實驗為例，詳述虛擬仿真軟件的使用方法，最后提出基于虛擬仿真軟件的實驗教學模式。

1 Packet Tracer軟件及特點

1.1 Packet Tracer軟件簡介

Packet Tracer是Cisco公司針對CCNA和CCNP認證開發(fā)的一個用來設計、配置和排除網(wǎng)絡故障的模擬器，Packet Tracer軟件允許創(chuàng)建網(wǎng)絡拓撲、配置相關網(wǎng)絡設備，并提供數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡中處理的詳細過程，以便觀察網(wǎng)絡實時運行情況。該軟件使用方便，既可以安裝在個人電腦上，也可以通過局域網(wǎng)實現(xiàn)多人的交互學習[4-5]。

1.2 Packet Tracer軟件的主要功能

Packet Tracer網(wǎng)絡模擬器軟件能夠使學生對所研究的問題做出分析，為學生提供模擬、可視化、設計、制作及評估等功能，從而使學生能夠深刻理解抽象的計算機網(wǎng)絡理論[6]。主要功能如下：

1）模擬實際設備的硬件。進入模擬器環(huán)境，就如同操作真實設備一樣，也包括設備模塊和面板顯示，安裝模塊需要“Power off”（斷電）。

2）模擬器支持報文分析功能。通過對Packet Tracer報文分析功能的使用能夠使學生掌握具體的通信原理，該模擬器支持應用層協(xié)議、傳輸層協(xié)議、網(wǎng)絡層協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議等各個層次、各種功能的協(xié)議。

3）支持新一代的IPV6技術和無線系統(tǒng)。

4）繪制網(wǎng)絡拓撲圖功能。

1.3 Packet Tracer的特點

1）仿真效果好。

在設備界面上，Packet Tracer不但能夠模擬真實設備的外觀，還能夠模擬設備所添加的各種模塊的外觀；在交互界面上，具有與真實設備相同的命令行輸入窗口；在實際的操作過程中，Packet Tracer還模擬了真實設備實際運行時需要的各種操作規(guī)程，如必須斷電后才能更換功能模塊、系統(tǒng)啟動時的自檢過程、數(shù)據(jù)包傳輸?shù)难訒r現(xiàn)象等。

2）兩種工作模式的靈活切換

Packet Tracer主界面的右下角有兩個切換模式，分別是實時模式（Real-time Mode）和模擬模式（Simulation Mode）。實時模式（Real-time Mode）模擬了真實物理設備在網(wǎng)絡中的實際運行情況，讓用戶能夠體驗真實設備的運行過程和執(zhí)行效率；而模擬模式（Simulation Mode）則是通過模擬面板控制虛擬環(huán)境的運轉，以單步執(zhí)行的方式或以指定的速度自動執(zhí)行操作，甚至可以根據(jù)需要隨時暫?；蚍祷厣弦粋€執(zhí)行狀態(tài)，以人們可以理解的方式展現(xiàn)出來。

3）兩個工作區(qū)的交互選擇

Packet Tracer提供兩個可相互切換的工作區(qū)：邏輯工作區(qū)（Logical）與物理工作區(qū)（Physical）。邏輯工作區(qū)是主要工作區(qū)，在該區(qū)域里面完成網(wǎng)絡設備的邏輯連接及配置；物理工作區(qū)則提供了辦公地點（城市、辦公室、工作間等）和設備的直觀圖，也可以對它們進行相應配置。

4）節(jié)約成本。

以“單臂路由”實驗為例，一套真實網(wǎng)絡設備購置需要花費2萬元。而引入Packet Tracer后，同樣可以完成實驗教學任務，卻減少了對網(wǎng)絡設備的使用頻率，節(jié)約了購置資金，降低了實驗成本，更重要的是，節(jié)省了維護管理成本。

5）方便靈活

利用虛擬仿真軟件Packet Tracer進行實驗，Packet Tracer還能夠將實驗的環(huán)境以文件形式加以保存，當文件重新打開后，立刻還原到上一次的狀態(tài)，無需進行初始化，節(jié)省了大量時間。

2 基于Packet Tracer的實驗教學案例

計算機網(wǎng)絡實驗分為協(xié)議分析實驗、交換實驗、路由實驗等，本文以典型的“三層交換機和路由器RIP協(xié)議”實驗為例，說明Packet Tracer在網(wǎng)絡的應用。

圖1 三層交換和路由器的RIP協(xié)議配置實驗拓撲圖

首先在Packet Tracer工作區(qū)中以拖放的方式選定所需要的網(wǎng)絡設備并連線，形成如圖1所示的網(wǎng)絡拓撲圖。所有設備的端口選擇及相應IP地址分配如表1所示。本實驗實施時需要注意以下幾點：

1）路由器和主機相連時，需要使用交叉線；

2）在串口上配置時鐘頻率時，一定要在電纜DCE端的路由器上配置，否則鏈路不通；

3）三層交換機沒有no auto-summary命令；

4）PC網(wǎng)關一定要指向直連接口IP地址，例如PC1網(wǎng)關指向三層交換機VLAN50的IP地址。

表1 RIP協(xié)議配置設備端口及IP地址分配

此實驗最終可以驗證，院內(nèi)外的主機PC1和PC2之間可以自由通信，同時三層交換機和路由器均可以學習到完整的路由信息。

3 構建基于虛擬仿真軟件技術的計算機實驗體系

由于高校實驗室設備更新速度無法滿足計算機網(wǎng)絡實驗教學的需求，同時設備維護的復雜性，計算機網(wǎng)絡實驗有必要在以真實網(wǎng)絡設備為主的前提下，將虛擬仿真軟件應用到實際中，加以補充和完善。

4 結 語

自2014年以來，蘭州交通大學計算機科學與技術國家級實驗教學中心在《網(wǎng)絡原理與技術實驗》課程的教學過程中，在傳統(tǒng)的銳捷網(wǎng)絡設備的基礎上，采用Packet Tracer虛擬軟件加以補充，效果明顯。

[1] 謝鈞,謝希仁.計算機網(wǎng)絡教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2013.

[2] 劉昕,馬順利,昝風彪,葉濤.基于Packet Tracer的BGP路由協(xié)議實踐教學仿真[J].實驗室研究與探索,2017,36(4):94-97.

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[4] 謝偉增,金振乾. 基于Packet Tracer的《計算機網(wǎng)絡技術》課程虛擬仿真實驗教學[J]. 信息與電腦(理論版),2017,(04):223-226.

[5] 楊久元. Packet Tracer使用指南及實驗實訓教程（第2版）[M]. 北京:電子工業(yè)出版社,2017.

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[9] 黃緊德. 虛擬環(huán)境與真實環(huán)境相結合的計算機專業(yè)教學模式探究[J]. 大學教育,2013,(09):129-131.